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Enhanced kinetics in Cu-doped LiFePO4 cathodes due to local structural disorder

材料科学 化学物理 兴奋剂 拉曼光谱 阴极 对分布函数 电化学 离子键合 分子动力学 结构变化 扩散 纳米技术 电极 工作(物理) 吸收(声学) 过渡金属 动力学 局部结构 电子结构 吸收光谱法 电化学动力学 金属 光谱学 X射线吸收光谱法 Crystal(编程语言) 铜 活化能
作者
Dharmendra Kumar,A. Tripathy,Manju Sharma,S. R. Sahu,Samanway Mohanta,Ashutosh Anand,Sreejith O. V,Ramaswamy Murugan,S. N. Singh,Rajamani Raghunathan,V. G. Sathe,Surender Kumar Sharma,D. K. Shukla
出处
期刊:Communications materials [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s43246-026-01092-2
摘要

The widespread adoption of LiFePO4 as a cathode material is hindered by its intrinsically low ionic and electronic conductivity. While transition metal doping is a recognized strategy to mitigate these limitations, the precise mechanistic underpinnings remain elusive. Here, we present a comprehensive multi-scale investigation into copper-doped LiFePO4 (LiCuxFe1−xPO4) that not only demonstrates a dramatic enhancement in performance but also uncovers the fundamental role of local structural disorder. Our study, which integrates advanced synchrotron-based characterizations including X-ray pair distribution function (PDF) analysis, and X-ray absorption spectroscopy (XAS) with Raman spectroscopy, electrochemical analysis, and molecular dynamics simulations, reveals a compelling structure-property relationship. We show that despite a negligible change in the average crystal structure, Cu doping induces significant local structural disorder. This effect is directly responsible for a remarkable enhancement in lithium-ion diffusion by nearly two orders of magnitude and a staggering six-fold increase in specific capacity for the optimal doping concentration (x=0.05) compared to the undoped material. Our molecular dynamics simulations further provides qualitative understanding on how the local disorder significantly lowers the energy barriers for Li-ion migration. This work offers microscopic insights, establishing the local structural disorder as a critical enabler of superior cathode kinetics and providing a new paradigm for designing high-performance electrochemical materials. Transitional metal doping of LiFePO4 cathodes improves ionic and electrical conductivity, but the mechanism behind this is unclear. Here, copper doping is found to enhance local structural disorder, lowering the energy barrier for Li-ion diffusion.
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